[发明专利]一种用于空间曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法

摘要

一种用于空间曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法，属于焊接自动化领域。该发明在焊接过程中使用三维平移机构调整焊炬位置，使用双自由度旋转机构调整工件姿态，在任意空间曲线轨迹焊接中实现了焊接速度、焊炬倾角、焊炬末端与待焊点距离均可焊前预设且在焊接过程中保持恒定等要求，焊接过程中熔池或搅拌区与世界坐标系保持相对稳定姿态，保证焊接过程的稳定性和产品质量的一致性。系统结构简单，成本低，适于任意空间曲线轨迹焊缝电弧焊、激光焊、搅拌摩擦焊等多种焊接场合。

主权项

一种用于空间曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法，其特征在于，该方法采用的装置包括底座(1)、运动控制器(2)、焊接能量源(3)、焊炬(4)、三维平移机构(5)和双自由度旋转机构(6)；所述底座(1)分别与所述三维平移机构(5)和所述双自由度旋转机构(6)机械连接；所述运动控制器(2)分别与所述三维平移机构(5)和所述双自由度旋转机构(6)通过导线连接，或通过无线传输方式通讯；所述焊炬(4)与所述焊接能量源(3)通过导线连接，或通过光路连接；所述三维平移机构(5)包括第一一维平移机构(51)、第二一维平移机构(52)和第三一维平移机构(53)；所述第一一维平移机构(51)、所述第二一维平移机构(52)和所述第三一维平移机构(53)的运动方向相互正交；所述双自由度旋转机构(6)包括第一旋转机构(61)和第二旋转机构(62)；所述第一旋转机构(61)和所述第二旋转机构(62)的旋转轴相互正交；所述焊炬(4)安装在所述三维平移机构(5)的运动输出端；待焊工件(7)安装在所述双自由度旋转机构(6)的运动输出端；所述方法包括以下步骤：1)建立与所述底座固结的世界坐标系{W}，所述世界坐标系{W}的xw轴方向与所述第一一维平移机构的运动方向相互平行，yw轴方向与所述第二一维平移机构的运动方向相互平行，zw轴方向与所述第三一维平移机构的运动方向相互平行；建立与所述待焊工件固结的工件坐标系{P}；2)在待焊轨迹上自起点至终点测量N个离散空间点的三维坐标以及各点处的单位法向量，其中N是大于或等于2的正整数，记第i个离散空间点在所述工件坐标系{P}中的三维坐标为Xi，第i个离散空间点处的单位法向量在所述工件坐标系{P}中的三维坐标为mi，其中i是小于或等于N的正整数，Xi和mi均为三维列向量；3)设焊炬轴线与待焊轨迹的交点为待焊点；在焊接前，预先设定焊接速度C、焊炬末端点与待焊点之间的有向距离h以及焊炬倾角α，其中C为任意不等于零的实数，h、α为任意实数；4)对所述离散空间点在所述工件坐标系{P}中的三维坐标Xi和所述离散空间点处的单位法向量在所述工件坐标系{P}中的三维坐标mi进行曲线插补，包括以下步骤：a)对Xi进行B样条曲线插补，使得插补的样条曲线Xp(u)满足Xp(ui)＝Xi，其中u为样条曲线Xp(u)的自变量，且：ui=0,i=1Σk=0i-1||Xk+1-Xk||Σk=1N-1||Xk+1-Xk||,2≤i≤N]]>b)计算所述样条曲线Xp(u)的一阶导数sp(u)：sp(u)=dXp(u)du]]>c)计算垂直于mi和sp(ui)的单位向量rp,i：rp,i=mi-[sp(ui)]Tmi[sp(ui)]Tsp(ui)sp(ui)||mi-[sp(ui)]Tmi[sp(ui)]Tsp(ui)sp(ui)||×sp(ui)||sp(ui)||]]>对rp,i进行B样条曲线插补，使得插补的样条曲线rp(u)满足rp(ui)＝rp,i；d)计算法向量插补函数np(u)＝sp(u)×rp(u)；5)采用焊接能量源提供焊接时的能量输入，并使运动控制器发出控制信号，驱动所述三维平移机构和所述双自由度旋转机构联合运动；设当所述第一旋转机构的旋转角为θ且所述第二旋转机构的旋转角为γ时，所述工件坐标系{P}和所述世界坐标系{W}的旋转转换矩阵和平移转换矩阵分别为R(θ,γ)和T(θ,γ)，其中θ和γ为任意实数；设t为任意非负实数；在t时刻，运动控制器驱动所述第一旋转机构和所述第二旋转机构运动，使所述第一旋转机构的旋转角θ(t)和所述第二旋转机构的旋转角γ(t)满足：R(θ(t),γ(t))·lp(t)＝e3式中，e3为所述世界坐标系{W}的zw轴的单位方向向量，lp(t)由下式确定：lp(t)=-sp(u(t))||sp(u(t))||sinα+np(u(t))||np(u(t))||cosα]]>式中，u(t)由下式确定：∫0u(t)||sp(ξ)||dξ=C·t]]>式中，ξ为积分变量；在t时刻，运动控制器驱动所述第一旋转机构和所述第二旋转机构运动，使所述第一旋转机构的瞬时角速度和所述第二旋转机构的瞬时角速度满足：∂R(θ,γ)∂θ|θ=θ(t),γ=γ(t)·lp(t)∂R(θ,γ)∂θ|θ=θ(t),γ=γ(t)·lp(t)dθ(t)dtdγ(t)dt=-R(θ(t),γ(t))·dlp(t)dt]]>式中，在t时刻，运动控制器驱动所述三维平移机构运动，使所述三维平移机构的位移量G(t)满足：G(t)＝R(θ(t),γ(t))·Xp(u(t))+T(θ(t),γ(t))+h·e3在t时刻，运动控制器驱动所述三维平移机构运动，使所述三维平移机构的瞬时速度满足：dG(t)dt=[∂R(θ,γ)∂θ|θ=θ(t),γ=γ(t)·Xp(u(t))+∂T(θ,γ)∂θ|θ=θ(t),γ=γ(t)]·∂θ(t)∂t+[∂R(θ,γ)∂γ|θ=θ(t),γ=γ(t)·Xp(u(t))+∂T(θ,γ)∂θ|θ=θ(t),γ=γ(t)]·∂γ(t)∂t+R(θ(t),γ(t))·sp(u(t))·du(t)dt.]]>